從2G到3.5G，從藍牙到超寬頻，短短幾年來，新興無線通訊技術可說是如雨後春筍般的問世。再加上終端裝置企求將最多功能融合在最小載具上，更是迫使業者們追求訂定遊戲規則，以最適切的通訊規範允許各項通訊技術的共存共榮，也同時帶來更具想像空間的通訊大未來。
從2G到3.5G，從藍牙到超寬頻，短短幾年來，新興無線通訊技術可說是如雨後春筍般的問世。再加上終端裝置企求將最多功能融合在最小載具上，更是迫使業者們追求訂定遊戲規則，以最適切的通訊規範允許各項通訊技術的共存共榮，也同時帶來更具想像空間的通訊大未來。
在市場對於高速資料傳輸與多媒體應用的大量需求下，第三代行動通訊系統(3G)的晶片與手機系統商都努力提供更好的解決方案給使用者。如系統業者就透過增加基礎建設涵蓋範圍，同時提供更多服務應用以增加競爭力；晶片業者與手機製造商同樣汲汲營營於新產品與新技術的發揚，為用戶帶來更新更好的應用。在硬體製造商與軟體開發人員的努力下，3G的系統也不斷演進，為了跟上業界的腳步，規範制定委員會(3GPP Committee)也針對這樣的目標，不斷修訂通訊規範，以符合業界需求。
新舊系統銜接不可輕忽
全球行動通訊系統(Universal Mobile Telecommunications System, UMTS)指的是以2G的GSM與3G的WCDMA系統為主(圖1)；而GSM又包含GSM語音系統、GPRS、EDGE，WCDMA則是除了原本的 R99 WCDMA之外，又增加了高速上/下行鏈路封包存取(HSU/DPA)兩項新標準(圖2)。在規範上一連串的改變，似乎讓通訊系統愈加複雜，也同樣令業界人士與第一線的工程師們感到困惑，但其實不論是2G或3G，背後的實現方式與想法都頗為類似。
從舊有的經驗來看，要改變規範標準而增加HSUPA等新系統並不簡單，困難的是新系統難與舊標準連結，為了克服這項問題，工程師們就必須將舊標準補強(Patch)，才可與新標準緊密連接。
例如在WCDMA系統交遞(Handover)GSM的技術，其實在R99 WCDMA版本一開始就已經定義，但是卻一直到R5才定義了反方向GSM交遞WCDMA的過程。這是因為WCDMA問世較晚，因而在初始設計的過程中，就明確知道須要可以交遞到GSM，畢竟GSM還是市場上最成熟、使用人數最多的行動通訊系統。但是先問世的GSM系統，並無法預期未來會有WCDMA，也因此導致兩者的雙向交遞規範並非同時確認。從這個例子可以得知，為了2G與3G轉換便利性，除了新系統要符合舊規範之外，如何在舊系統上作改變，以符合新潮流與新應用的需求，就像在個人電腦上定期更新與安裝修補程式一樣重要。
需求刺激新規範陸續問世
如果舊有系統可以滿足用戶，自然就不會有新興技術的問世，而一般來說，驅使通訊規範演進的動力包括：期盼增加資料傳輸、減少傳輸延遲性(Reduce Latencies)、將射頻網路資源最佳化、允許多種通訊系統存在單一行動載具上，以及將網路全IP化等。
增加資料傳輸量勢在必行
簡單的說，增加資料傳輸量，早就是各種不同標準中各界同重的目標與趨勢，因此要說增加資料傳輸量是業界必經的道路一點都不為過。
事實上，行動通訊系統近期一直面臨著相當大的挑戰與威脅。過去幾年來，所有的市場分析家與媒體，都看好透過手機可以在飯店、機場、電影院等公眾場合進行數據資料傳輸。而現今隨著無線區域網路(WLAN)大量建立熱點(Hotspot)和無線接取點(Access Point)，而新一代的無線網路系統全球微波存取互通介面標準(WiMAX)正虎視眈眈準備攻占更多市場，因而原本以語音通訊為大宗的行動通訊，已經逐漸改由資料傳輸為首要需求。也因此，3GPP規範委員會就特地制定新的HSxPA標準，以拓展更大資料傳輸應用。
3GPP在R5就增加HSDPA規範，使得下行(Downlink)的傳輸速率可以達到14.4Mbit/s。不過，14.4Mbit/s只是理論值，這樣速率的前提是整個基地台容量傳輸只給單一使用者，並且在沒有任何的雜訊與干擾的環境下；至於實際的傳輸數字，目前市面最快則可達到7.2Mbit/s。
在HSDPA標準中，並未改變較高層通訊協定(Higher Layer Protocol)的WCDMA通訊規範堆疊(Protocol Stack)，所以手機上層通訊規範並未受到很大影響，但RRC(Radio Resource Control)所主導的連結卻變得更加複雜。
新規範主要影響的是在第一層通訊規範中的MAC(Media Access Control)層，在Node-B上新增MAC-hs。
舊有的R99規範，資料重傳的機制主要是由RNC(Radio Network Controller)中的RLC(Radio Link Control)層所負責；在R5中則透過MAC-hs移至Node-B來執行，而這同時代表手機可以透過資料接收的好壞即時回傳反饋資訊 (ACK/NACK)給Node-B。而在物理層(Physical)的IR與CC技術，就是為了支援這樣的重傳資料的過程，可以使得重送的編碼資料有所不同，並透過多次重送資料組合以增加手機接收的判斷。
在R6中主要介紹的是HSUPA標準，與HSDPA相同的是，HSUPA是在現存的WCDMA系統中增加上傳資料的能力。理想數值可以到達上傳 5.76Mbit/s的數據傳輸，不過真實世界現有的資料流量僅約600Kbit/s。HSUPA的數據流量決定於Node-B可以接受手機發射功率的等級，越大的發射功率可以支援較小的SF(Spreading Factor)，以使用更多的物理通道(Dedicated Channel)來增加數據流量。當然在HSUPA當中，依舊增加了MAC-e與MAC-es來接受Node-B回報手機上傳數據接受的好壞。所以在 Layer 1中有更多的控制通道需要手機解調以決定發射功率，並且需要有能力接收Node-B回傳的ACK/NACK。
業界人士可能會質疑，除了3G系統之外，2G系統的數據傳輸能力是否能夠再有突破，事實上，在大部分國家3G基礎建設尚未成熟的情況下，2G基地台可視情況補足沒有3G訊號時的資料傳輸，所以2G系統依然試著傳輸更多數據。
舉例來說，當晶片商設計GPRS或是加強型GPRS(EGPRS)多個時槽(Multi-timeslots)傳輸到class 31,32,33,34時，主要在使手機可以接受5個下行的時槽資料，以允許使用者在使用E/GPRS時，最好調變(8PSK)與編碼(MCS9)方式下可以到達300kbit/s。
若是更進一步，晶片商為增加2G傳輸競爭力，更可設計多時槽傳輸，最大值達360Kbit/s的數據接收。當然，對業者來說，電路上的設計也就更加的嚴苛。
有些規範制定者正試圖找尋在2G系統接收16QAM的可能性，以增加更多資料傳輸，而由於若UMTS手機已經可以接收像是HSDPA的16QAM調變，那基本上接收機應該也有能力在2G接收，這樣的想法並非天馬行空，或許可望在近未來實現。
在更未來對資料傳輸的發展，將在R8中定義，這項目前暫稱為長期演進(Long Term Evolution, LTE)版本的標準，主要驅動標準的定義，是希望增加數據串流到達25M～100Mbit/s，這時須要考量到的也許不再是單一通道5MHz頻寬來載送，而是更大的頻譜，並且改使用OFDM的調變方式，達成抗雜訊強、資料傳輸大的特性，在應用上同樣帶來更多想像空間。
當然，許多數據傳輸，還是倚賴實際情況而定，如基地台可支援的使用者人數、空氣介質雜訊干擾等，所以市場上所宣傳的傳輸速度，與實際傳輸流量還是相去甚遠。例如GPRS定義了CS4最大傳輸編碼方式，但實際連結時幾乎都是使用CS1或CS2；E/GPRS訂定了8PSK新的調變技術，但是實際網路往往依舊使用GMSK調變；ITU規範了3G系統在固定式行動載具下2Mbit/s傳輸速度，然而384kbit/s已經是現階段網路中最快的。所以，同樣情況在HSDPA與HSUPA也會出現，或許透過改善傳輸延遲性來改善數據流量，可以改善理想與實際上的落差。
縮短傳輸延遲提升應用效能
要談新規範的問世，提升效能(Performance)自然會是其中一項主因。尤其若是縮短系統的延遲，將可以改善無線應用的執行力；另外，由於網路射頻資源並非無窮盡，每個基地台都有一定的語音與資料傳輸量，如果可以到達最佳傳輸容量，自然可以將現存射頻資源作最有效應用，並使營運業者獲取更大利潤。
一般來說，有兩種情形會導致傳輸時間延遲，分別是資料解碼(Decode Data)和資料重傳(Retransmit Data)。
在2G數位式行動通訊開始，每個系統都訂定最基本的傳輸區間，或稱為傳輸時間間隔(TTI)。一個TTI代表一組最小有意義的數據封包被解碼，而且被上層的通訊堆疊接收。而這樣的數據封包往往因為要抵抗空氣介質的干擾與耗損，而採用交織編排(Interleaving)方式，讓一組上層RLC資料載送到物理層中多個時槽發射，降低資料毀損的風險性，這勢必使得接收端必須將這些時槽全部接收後才得以完整解碼，也同樣會造成傳輸的延遲、系統更新速度變慢。特別在即時性(Real Time)的應用，如互動式遊戲、視訊對話等都會受到影響。更有甚者，在大量資料接收的應用上，往往手機資料接收的訊息不足或是資料毀損，需要基地台重傳。這些流程會從手機的RLC層判斷對錯後，透過空氣介質回報基地台，再由基地台將資料一路由IP、RRC、RLC、MAC，下行到實體層 (Physical Layer)送到手機，直到手機確認數據完整接收才告終。然而，這樣的重傳機制會使得資料更新緩慢，嚴重影響接收機的應用。
為了改善資料解碼與重傳的延遲，在新的標準中做了些修正。R99版本中WCDMA基本TTI為10毫秒，會耗費過長時間在RLC層做解碼；從基地台發射數據到手機回報ACK/NACK，整個迴圈更需要150毫秒(圖3)。
為了改善運作效能，HSDPA中修正TTI為2毫秒，回傳過程(Turn Around Time)縮短為12毫秒。另外，HSUPA為了支援各種高低階類別(Category)的手機差異，適應性的支援TTI等於2毫秒與10毫秒兩種模式，回傳時間亦分別為16毫秒與40毫秒。此外，HSDPA系統已將ACK/NACK的排程從原本的RNC改由Node-B中的MAC-hs來解決，這些方式都是規範中因應系統延遲所修正的方案(圖4)。
在2G通訊系統中一直為人詬病的，除了數據流量小外，系統延遲性過於嚴重，使得2G系統只能支援簡單的資料傳輸，如下載MP3鈴聲、上網瀏覽網頁等，而無法支援即時性的視訊對話，都仍有改善空間。
針對這些困擾，3GPP規範委員會亦做了些改進。在E/GPRS系統中，當資料準備傳輸時，就須要建立Token Bucket Filter(TBF)才可以開始數據連結，而TBF是使用在E/GPRS以用來開始資料傳輸的一種機制，此訊息會傳送到手機端，並告知開始資料傳輸。 TBF的建立需要耗費系統資源以及長達100毫秒的時間，而且當資料傳輸結束後，欲進行下一筆資料傳輸又須要再重新建立TBF。所以在新的R4規範中，為了縮短TBF延遲時間，增加了Delayed Downlink TBF、Extended Uplink TBF與TBF Re-establishment。
在Delayed Downlink TBF中，一組下行數據串流的傳輸結束，並不馬上將TBF釋放，而是選擇延續了TBF的時間，並且允許重用此TBF，以等候下個排程的資料傳輸，也就不須要再耗費時間進行TBF重建。這個規範的設計在雙傳輸模式(DTM)手機中，同時開啟Packet Switch與Circuit Switch時穩定連結特別有用。另外，在上行的傳輸中，Extended Uplink TBF一樣延長了TBF時間，使得下個資料排程能順利傳輸，而不需要重建新的TBF。為了縮短時間，TBF Re-establishment，允許現有的TBF還沒釋放之前，就可以重建新的上行TBF。手機可以隨時要求建立新的上行TBF，而不須要等待現階段的資料傳輸結束。
R7的規範中，為了讓即時性的服務可以在2G上增加競爭力，定義了Early TBF Establishment。以現行的狀況來看，一個TBF在E/GPRS的設定時間需要數百毫秒，這對於一些時間延遲敏感的應用，如即按即說(PoC) 或是網際網路語音通訊協定(VoIP)等，都不算是好消息，而若事先預留TBF，當手機準備進行資料傳輸時，一旦打開TBF而免去設定時間，即可立即透過實際射頻網路傳輸，大大省去設定時間。
當然，要完成上述目標還有很多方法，最為人所知的替代方案之一，是建置更多基地台，使涵蓋面積容量更大，允許更多使用者傳輸，但這個方法卻頗為昂貴。不如透過規範的改變，即可將網路資源進行更有效使用，並降低網路端的花費，甚至可以降低使用者的通訊費用，因而受到業界的重視。
通訊多工終端產品引矚目
近期整個行動通訊產業的另一項趨勢，是將多種通訊系統整合於單一終端產品上。這種整合讓使用者更加方便，尤其不需要攜帶各種不同技術的電子產品，在多種技術融合於單一產品的前提之下，使用者可以同時開啟各種不同應用，對終端消費者自然頗具吸引力。不過，多重整合產品自身功能的互相干擾，也是須要解決的問題。而改變規範的原因，就是希望使得各項技術之間的工作更加穩定，同時避免互相干擾。
目前重要的趨勢之一，是將各種不同行動通訊系統模組整合在單一手機中。以現在的3G手機為例，除WCDMA與GSM系統外，更多手機系統已經開始支援 HSDPA與HSUPA標準。另外，為了多樣性與多功能性，藍牙(Bluetooth)、WLAN、全球衛星定位系統(GPS)、MP3音樂與影像播放器等，大幅增加了手機的應用。
不過，這當然對手機也形成更嚴酷的挑戰。上述提及的功能，常常是多種應用同時進行，如進行語音通訊的同時也啟動藍牙耳機，或是同時透過WLAN上網等。因此，手機就必須要接受相關應用的開啟，卻不影響其他系統的傳輸品質，包括達到規範要求，互相可接受干擾的靈敏度與相位雜訊外，設計電路的線路布局、靜電防護、電池功耗等，在在都是挑戰。
3GPP對於多功能性的要求，在R6中定義了UMA(Unlicensed Mobile Access)，UMA的主要目的是讓手機上的WiFi系統可以與E/GPRS互相交遞。例如手機在室內或辦公室中可以透過AP連線，利用WiFi上網或下載檔案；當使用者離開室內到戶外，從WiFi交遞至E/GPRS，也必須維持數據連結不中斷。UMA的設定相當符合目前各國將WiFi AP建置在室內、基地台在戶外的特性，對使用者來說，可以節省重新開啟E/GPRS的時間。
另一方面，都會區的基地台流量往往負載較大，手機如果因為系統壅塞而無法連上E/GPRS，就可以透過WiFi AP來紓解數據流量的困擾。
而為了完成UMA無縫 (Seamless)交遞，就須要在2G與WiFi系統中增加GANC(Generic Access Network Controller, GANC)，以進行數據轉換與地址轉換。
網路IP化有夢最美
將所有網路全IP化是一個偉大的目標，因為全IP化設計可以使行動網路運行的更加簡單，無論是語音與數據資料都載著IP訊息，會讓系統易於判別傳輸的優先性，就像現今透過FTP下載資料共享頻寬一般。
所有3GPP規範都朝著全IP化的理想邁進。全IP化網路將使各種不同服務，依照優先性(Priority)的順序來執行，使用者可以想像未來手機平台同時存在著各種不同服務進行。當然在服務品質(QoS)方面依舊要求相同的標準，如透過Packet Data方式進行VoIP通話，就必須達成使用者最低的語音滿意標準。
全IP化網路在通訊堆疊中必須有一核心，負責控制建立/結束所有的服務連結以及排程的順序，這樣的機制在GERAN(GSM EDGE Radio Access Network)與UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)系統中，由於有專用通道(Dedicated Channel)來實現，因此並無影響；但是對於HSDPA/HSUPA與E/GPRS等必須分享連結與通道數據的系統，就相當的重要。而目前多數手機為 Class B等級，也就是在GSM與E/GPRS互相交替運作，手機在數據與語音服務中只能擇一。但是新一代的Class A手機可以允許語音與數據同時傳輸，使用者不需中斷任何一種連結，也就是前文所述的DTM手機。
原有的單一TBF數據連結緩慢且困難，而為了擴大DTM手機與全IP服務的功能，規範制定者在GPRS規範上增加了Multiple TBF，不同的TBF除了可以加速排程，也可以支援手機Multiple PDP技術，讓手機同時可以進行多個數據連結，允許手機同時下載MP3鈴聲與上網瀏覽資訊等。
除此之外，GPRS為了讓使用IP流程數據更加順暢，增加了P-DBPSCH通道，主要目的是減少語音通道的空間，並且讓GSM語音可以支援8PSK的半碼速率(Half Rate)，將更多的時槽與通道資源留給GPRS的數據連結。
數據連結不管在同系統(Intra System)或是不同系統(Inter System)的交遞都比語音交遞來得困難。所以在R6制定了新的數據交遞流程，讓手機不須重新建立連結可以完成數據切換。
總之，規範的演進除了增加新的標準，也針對舊的標準做修正並增加功能性，所以成熟的GSM、GPRS、EGPRS系統並不會就此消失。但這不代表著原有的規範就會一直存在，而是會以符合社會資源與期許的方向繼續邁進。
通訊系統優化帶動高效率
由3G系統延伸的視訊數據串流(Video Streaming Data)，在固定的WCDMA頻譜上傳送給單一使用者，會占據許多的網路資源，因而不夠有效率。
例如WCDMA384kbit/s用12kbit/s語音傳輸，最多可以區隔出32個語音通道，每個通道可以再經由多工方式分給7個使用者。但如果使用了基本的384kbit/s視訊串流，整體的網路資源就只能給一個使用者。
為了解決這樣的困擾，HSUPA新標準增加了上行資料流量5.76Mbit/s，並且在R6提出了多媒體廣播多播業務(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)的視訊解決方案。MBMS是類似DVB-H的數位視訊解決方案，在原本的3GPP系統網路就可以實行，而不須要額外建置新的基礎建設 (Infrastructure)，為單點對多點的視訊傳輸。
實際的MBMS規格中，除了GERAN會使用4個下行時槽傳送數據、UTRAN會使用原有的S-CCPCH通道來載送數據外，另外增加了MICH通道，針對MBMS流程提供控制訊息。
當然，在3GPP上層的通訊堆疊中，首先要克服的就是支援多個IP地址，才可以實現MBMS的應用。此外，傳統的WCDMA傳輸模式為基地台與手機的一對一連結，手機接收到完整數據回報給基地台；若使用MBMS技術廣播給多個使用者，這些使用者就會有高階手機與低階手機的差別，由於解調能力不同，因而 MBMS無法接受手機回報ACK/NACK。面對這個問題，規範訂定檔案修復通訊協定(File Repair Protocol)，以網路端來做數據比較，並且進行及時修正，來解決上述問題。而MBMS同時還有耗費更多記憶體的門檻須要跨越。
在射頻網路端，手機與系統業者必須保證在各種不同通道環境下，都能保有一定的品質。假設在毫無干擾的地區，手機與基地台距離也在合理範圍內，這時手機與基地台就必須達到該有的傳輸品質。
為了實現這樣的理想，並且根據通道環境調整手機可以接受的傳輸品質，在GSM與WCDMA語音都訂定了AMR機制，允許不同通道環境與距離考量下可以改變語音速率，包括12.2kbit/s、10.2kbit/s、7.95kbit/s等，以確保手機完整接收。
在Packet Switching方面，HSDPA為使射頻資源有效率分配，使用了AMC與HARQ技術。AMC是驅使基地台控制下行流量的機制。透過手機回報CQI 值，基地台可以確定手機距離基地台遠近、通道雜訊干擾狀況、資料流量大小、手機解碼錯誤判斷的能力；而HARQ就是ACK/NACK機制(圖5)。
手機回報CQI值愈大，代表愈有能力接收更多數據流量，這時基地台會基於CQI改變下行的資料調變與編碼機制，以達網路資源最佳化。
基地台在下行資料給手機時，為了抵抗雜訊干擾與保密性，會將數據做迴旋編碼(Convolution Code)，使資料量變大，但是並不會將所有已經編完碼的資料作傳送，而是會使用IR分段傳送，也就是先將部分資料傳給手機，如果手機可以正確解碼解調 (ACK)，可以縮減傳輸時間，繼續新的資料封包傳輸。
而如果無法解碼，手機會要求重傳(NACK)，基地台則會將原先資料剩下的資訊再傳給手機，手機基於多次重傳的組合可以順利將資料解碼出來。
當然多次傳送完整接收的背後，付出的代價就是花費傳輸時間。
2G系統亦對網路資源做一些改善。以往GSM系統常常在跳頻(Frequency Hopping)或是交遞時發生斷話現象，手機必須重新搜尋基地台與建立語音連結，除了耗費時間外，重新的認證與註冊也耗費網路端資源。針對這部分，R6 定義Repeated FACCH與Repeated SACCH。
FACCH是當手機在跳頻或交遞時，為了穩定連結會占據TCH通道，手機順利改變通道後，才會將通道資源再度釋放給TCH。但是在實際網路中，常常因為雜訊干擾或是手機無法即使反應跳頻及交遞動作，發生斷話現象；而Repeated FACCH允許基地台下行時，不斷的播放FACCH訊號，以確保手機切換時，還能夠接收到FACCH，維持連結的穩定度。
SACCH為基地台與手機連結時，在下行端控制手機功率與時間同步，在上行負責記錄手機靈敏度、接收與發射功率穩定的好壞。Repeated SACCH可以更頻繁的偵測手機狀態與維持連結品質。
在未來的LTE，除了改變調變為OFDM、使用更大的頻譜載送資料外，目前規範方向針對網路射頻資源利用以MIMO為目標。利用多根天線切換接收，達到 Multipath接收與Diversity的功能，讓手機保有一定的連結與增加吞吐量(Throughput)，使無線通訊連結達成最佳網路優化。
我們可以想像未來的手機將包含GSM、GPRS、EGPRS、WCDMA、HSDPA、HSUPA與LTE各種系統的存在，除了系統轉換的便利性，也可以讓使用者在單一手機上完成生活中各種機能，讓我們一起期待這樣的未來。